纤维复合材料在土木建筑工程中的应用

罗嘉源

(山西六建集团有限公司，山西 太原 030000)

随着社会经济的发展，各界对建筑工程的综合质量提出更高的要求，例如在保证建筑结构稳定性和耐久性的前提下，减少能源消耗，追求良好的生态环境效益。升级建筑材料是提高建筑综合质量的重要途径，其中纤维复合材料颇具代表性，适应于大跨度、高强度的土木建筑工程。为此，深入研究纤维复合材料的特性及其应用方式具有重要意义，发挥出纤维复合材料的性能优势，促进土木建筑工程的发展。

1 纤维复合材料的特点

1.1 高强度、轻质化

钢筋、混凝土等传统建筑材料的强度和刚度较高，但自重较重，对建筑基础的建设质量提出较高的要求，建筑设计和施工的难度高。相比之下，纤维复合材料除了强度和刚度良好外，还具有轻质性，在同等建设规模下，重量仅为传统建筑材料的1/2左右，将其用于土木建筑工程后，明显减轻建筑的自重，降低对建筑基础的要求，减轻建筑物的负担和结构的疲劳，有利于维持结构的稳定性和提升建筑的耐久性。

1.2 防腐蚀、耐磨损

钢筋、混凝土等传统建筑材料在使用过程中可能发生腐蚀，影响结构的稳定性，降低结构的耐久性，尤其是在强酸碱环境或潮湿环境中，材料更易腐蚀。对于纤维复合材料，其采用特殊的树脂基体和增强材料，原材料性质可靠，组成的纤维复合材料具有防腐蚀性能，即便在强酸碱、潮湿的环境中应用纤维复合材料，在长期使用过程中也不易发生腐蚀。并且，纤维复合材料还具有耐磨损的特点，进一步保障了建筑结构的稳定性和耐久性。由于纤维复合材料的防腐蚀、耐磨损特点，其在恶劣的建筑工程环境中可以取得良好的应用效果。

1.3 保温隔热

混凝土、砖石等传统建筑材料的导热系数高，用于建筑工程后，存在热量的积累或流失，不利于维持室内温度的稳定性，由于室内温度偏高或偏低，将高度依赖暖通空调调节室内环境，增加能源消耗。不同于传统建筑材料的是，纤维复合材料因导热系数低而具有良好的保温隔热性能，同时含有碳纤维、玻璃纤维等增强材料，在应用此类材料后，将提升纤维复合材料的绝缘性能[1]。

1.4 灵活性

现代土木建筑工程更注重美观性，需要针对性地设计材料的形态、尺寸，以建造独具特色的建筑。混凝土、砖石等传统建筑材料的使用方式相对单一，难以满足建筑工程的个性化要求，而纤维复合材料具有灵活性，则可以根据建筑建设需要制作成各种形状和尺寸的材料，还可向纤维复合材料中掺入某些外加材料，进一步提高结构的强度、刚度等性能。

2 纤维复合材料在土木建筑工程中的应用

2.1 在混凝土施工中的应用

在混凝土中掺入纤维物质后，能够提升混合料的延伸性能和抗拉性能，各项性能指标，如表1所示。

表1 FRP力学性能指标

在混凝土中掺入纤维复合材料后，提升混凝土的抗裂能力、抗冲击性能、耐震性能，混凝土结构有效抵御外部干扰，满足耐久性的要求。常规混凝土的抗拉强度低、抗腐蚀性能弱，向其中掺入钢、碳纤维等材料后，解决性能不足的问题，也可以设计出纤维增强混凝土、玻璃纤维混凝土等，满足建筑工程的特殊要求。由于纤维复合材料的掺入，改善了混凝土的综合性能，可吸收振动波，保证抗震效果。并且，由于纤维复合材料具有轻质性，还可降低建筑结构自重，加快施工速度。从拉伸强度的角度来看，纤维复合材料优于钢筋，而在同等建设规模下，纤维复合材料的重量仅为钢筋的1/4左右，且兼具高强度、高硬度等性能[2]。

2.2 在结构补强中的应用

在建筑结构加固中采用钢板材料时，由于钢板的抗腐蚀性能弱，随着使用时间的延长，加固部位仍有可能出现异常。若采用纤维复合材料加固建筑结构，可提高强度，延长结构的使用寿命。例如，在连续纤维板上粘贴树脂胶粘剂，用于加固建筑结构。在各类纤维材料中，碳纤维属于典型材料，原因在于承重性能良好，在承受较大重量时仍维持稳定，因此成为主体结构增强、卷材修复中的重要材料。针对建筑结构耐久性不足、安全隐患多等问题，可以采用纤维增强材料进行补强处理，其中应用较为广泛的是芳纶纤维和碳纤维，原因在于纤维材料的性能可靠，质量较轻，可降低施工难度，提升施工的灵活性。纤维复合材料的类型丰富，有纤维增强塑料模板、纤维增强粘合剂等材料可供选择，满足了不同类型建筑、不同特性建筑结构的加固补强要求。

纤维复合材料适用于建筑结构加固修补工程，例如在处理钢筋混凝土结构裂缝、强度不足等问题时均能够取得良好的应用效果。相比常规的粘贴钢板结构加固方式，纤维复合材料加固具有高强度、施工便捷、稳定耐久等突出优势，具体表现为如下几方面。

1)纤维复合材料的强度高，质量轻，用于钢筋混凝土结构时，大幅提升结构的抗剪、抗弯、抗震等性能，且对原结构自重的影响不大，无需考虑因加固补强材料的应用而导致建筑结构超重的问题。

2)纤维复合材料的施工便捷，以碳纤维加固混凝土结构为例，全程无需使用大型机械设备，仅由施工人员向预处理好的结构人工缠绕材料即可，同时也减轻了混凝土结构加固的噪音污染和粉尘污染。

3)纤维复合材料具有轻薄的特性，在加固建筑结构时不会影响原结构的形态、尺寸。

4)纤维复合材料的耐腐蚀性良好，适用于潮湿、强酸碱等特殊环境，用纤维复合材料加固补强的结构具有耐久性。并且，由于纤维复合材料在结构加固补强中的长效性优势，还可减少后期的维护工作。

5)根据导电特性进行质量检测，准确评价纤维复合材料在建筑结构加固中的应用效果，便于管控加固质量。

2.3 纤维聚合物筋

以芳纶纤维聚合物筋、碳纤维聚合物筋等为原材料，经拉挤处理后制作成型的纤维聚合物筋具有可靠的拉伸性能和较高的强度，在预应力混凝土结构加固中能够取得良好的应用效果。纤维聚合物筋的拉伸性能曲线，如图1所示。

图1 FRP片材拉伸曲线

2.4 在结构涂层中的应用

涂层具有装饰作用，用于建筑工程的涂层应具有抗拉性能可靠、材质稳定、耐久、美观等特点。纤维复合材料兼具防护作用和美化作用，可以用于封盖屋顶、膜结构建筑中，一方面防护建筑外围结构，另一方面通过形态、色泽的优化来提升建筑的美感。

2.5 纤维复合材料桥面体系

桥梁工程可采用纤维复合材料，通过材料的高强度优势提高桥梁结构的强度，也能够使桥面具有足够的承载性能，以保证桥梁的安全使用。相比常规桥梁施工材料，采用纤维复合材料建设的桥梁具有更高的动态荷载水平。涂料作为工程结构施工中的重要材料，应具有较高的强度和较强的张力，在当前建筑工程的复合涂料类型中，以纤维复合材料颇具代表性，其能够防护结构表面以及改善结构的表观质量。在承重结构中应用纤维复合材料时，可以根据工程建设要求加工成特定形状的承重构件，以满足承重楼板、折叠板等结构对于特殊形态的要求。在工业厂房建筑的地板和外墙施工中应用纤维复合材料后，可以提升结构的耐腐蚀性能，延长结构的使用寿命，因此纤维复合材料在生产条件特殊的工业厂房建筑中具有可行性[3]。

2.6 在承载结构中的应用

在建筑承载结构中采用纤维复合材料后，可在一定程度上替代钢筋及混凝土，保证建筑结构的质量，提升建筑的耐久性。在水坝、港口、公路等高质量要求的土木工程中，可以采用纤维复合材料，既能够提高结构的质量，又可降低成本。而在建筑装饰装修领域，门窗、保温板等也可以采用纤维复合材料，提升保温隔热性能[4]。

2.7 智能型纤维复合材料

新型混凝土材料包含智能混凝土、轻型混凝土等。其中，智能混凝土是以常规混凝土为基础，根据强度、耐久性等要求掺入添加剂后制备而成的新型材料，具体细分为绿色混凝土、温控混凝土等，更有效地满足现代建筑对环境调控、节能环保的要求。智能混凝土包含屏蔽水泥基复合材料、温差水泥基复合材料等，改善了常规混凝土结构的局限性。例如，对于传统材料抗电磁干扰能力弱的问题，可以采用磁场屏蔽复合材料予以解决，在此方面主要应用的是智能光纤，保证磁场屏蔽效果。向水泥基材中混合碳纤维、钢纤维等材料，制备的混合料能够有效隔绝电磁波，改善混凝土性能。向普通混凝土中掺加碳纤维后，发挥出碳纤维的材料性能，形成“热点”效应新型材料，实现对建筑温度、电力等资源的充分利用。而根据建筑混凝土结构抗破坏性、稳定性、耐久性的要求，可以向混凝土中掺入导电纤维，将此类混合料应用于建筑工程结构中，有助于消除结构静电，使结构正常使用。除此之外，自感应应变混凝土、自修复混凝土均是现代建筑工程中较为主流的材料，随着材料制备工艺和施工技术的升级，将在建筑工程中取得愈发广泛的应用。

3 纤维复合材料在土木建筑工程中的应用问题与建议

现阶段，土建结构加固中应用纤维复合材料的实例较多，该材料已经在部分建筑工程中取得良好的应用效果，但关于纤维复合材料特性的理论研究以及材料实践方式相对有限，例如利用纤维复合材料加固建筑结构的设计方法较少，材料的适用范围较窄，针对此类问题，提出如下发展建议。

1)提升纤维复合材料在特殊结构加固中的可行性。在钢结构、木质结构的加固中，仍以传统加固材料为主，纤维复合材料的应用较少，因此需要进行技术研究和实践探索，提升纤维复合材料在此类结构中的可行性。对于化工厂房及某些围墙等防护工程，也可以考虑纤维复合材料的应用方式，但由于此类结构的强度要求高，因此在应用纤维复合材料时仍需做进一步的研究，发挥出材料的高强度特性。

2)提升黏结胶的性能。在建筑结构中应用纤维复合材料时，通常采用黏结胶进行黏结，因此除了纤维复合材料自身的特性外，黏结稳定性也将影响最终的施工效果，例如纤维复合材料具有抗酸碱腐蚀、耐高温、耐低温等特性，即便材料自身满足各项性能要求，但若黏结胶的稳定性不足，也会影响最终的施工效果，表现出材料脱落或其它的问题。如此一来，提升黏结胶的性能则尤为重要，技术人员需要根据纤维复合材料的特性研究与之相适配的黏结胶，且还需做好黏结前的清理、黏结后的试验检测等工作。

3)深入研究黏结破坏面的特性。在外力作用下，组成纤维复合材料的各类原材料因受力状态差异而出现多种形式的破坏，观察纤维复合材料可以发现其断裂情况较为复杂。为此，需要深入研究纤维复合材料黏结破坏面的特性，确定不同组成材料的受力性能，进行优化设计，用性能可靠的原材料制作综合质量较高的纤维复合材料，降低断裂的发生率，减小断裂的影响范围。

4)研究不同环境的加固工艺。严格控制温度和湿度是保证纤维复合材料有效应用的重要前提，根据工艺要求，建议环境温度为5～35℃，相对湿度低于70%。但建筑工程施工环境复杂，在应用纤维复合材料时可能遇到酷暑、严寒、强降雨等极端天气，干扰正常施工，甚至影响纤维复合材料的应用效果。因此，技术人员需要深入研究纤维复合材料的加固工艺，保证在各类特殊环境中仍能够顺利完成纤维复合材料的施工作业并且取得良好的材料应用效果。

4 结语

综上所述，纤维复合材料在土建工程中取得广泛应用，可以起到加固结构、减轻建筑自重、提升抗震性能、增强美观性等作用。但纤维复合材料的施工要求高，施工细节多，可能因方法不当或管控不到位而出现质量问题。因此，建议相关工程人员持续进行技术研究，优化纤维复合材料的应用方法，提升材料的性能，解决现存问题，提高该材料在土木建筑工程中的应用水平。